作者：卢觉枫、王钰莹

在全球能源紧缺和气候变化严重的背景下，构建微生物细胞工厂，利用甲酸、甲醇、乙酸以及乙醇等可持续碳源生产高附加值化学品是绿色生物制造领域的研究热点之一。目前，大肠杆菌利用合成气和微生物电合成来源的乙酸已实现了诸多化学品的生产，而以合成气来源的乙醇为唯一碳源进行大宗化学品的生产却鲜有报道。近日，华东理工大学生物工程学院吴辉教授研究团队通过构建工程化的大肠杆菌，开展以乙醇为底物合成异丙醇和3-羟基丙酸等重要化学品的研究，结果证明了基于合成气来源的乙醇生物炼制平台的巨大潜力。相关成果分别在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上以″Efficient biosynthesis of isopropanol from ethanol by metabolically engineered Escherichia coli″（https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c04663）和Bioresource Technology上以″Efficient biosynthesis of 3-hydroxypropionic acid from ethanol in metabolically engineered Escherichia coli″（https://doi.org/10.1016/j.biortech.2022.127907）为题进行了报道。

图一  大肠杆菌利用乙醇高效生产异丙醇的可持续生物制造路线

图二  大肠杆菌利用乙醇生产3-羟基丙酸的代谢工程改造示意图 

野生型大肠杆菌不能利用乙醇进行有氧生长。研究团队将双功能氧化还原酶突变体AdhE ^A267T/E568K引入大肠杆菌，结果显示，携带乙醇利用途径的大肠杆菌能在50 h内以乙醇为唯一碳源快速生长。在分别引入异丙醇合成途径和3-羟基丙酸合成途径后，能够初步生产2.01 g/L异丙醇和1.51 g/L 3-羟基丙酸。

在乙醇生产异丙醇的研究中，研究者探索了两种代谢工程策略，以改善异丙醇的生产能力。首先，通过生长期依赖型启动子（GPPs）动态调控TCA循环关键酶--异柠檬酸脱氢酶icd的表达，重新定向生物质和异丙醇之间的碳通量，使异丙醇的产量提高到了2.44 g/L，得率为0.24 g/g。其次，通过过表达内源转氢酶pntAB提高细胞内NADPH的供应，使异丙醇的效价提高到了4.41 g/L，得率为0.44 g/g，是对照菌株的2.2倍。表明该研究构建的大肠杆菌工程菌株具有利用乙醇高效生产异丙醇的巨大潜力。

在乙醇生产3-羟基丙酸的研究中，研究者对乙醛酸循环、TCA氧化分支以及辅因子对3-羟基丙酸生产的影响进行了探索。结果显示，TCA氧化臂的动态调控和乙醛酸途径的控制能够有效地调节菌体的生长速度和最终菌体浓度。为增加3-羟基丙酸合成途径所需辅酶NADPH的供应，研究者将内源转氢酶编码基因pntAB启动子替换为组成型强启动子，3-羟基丙酸产量提升至1.65 g/L。此外，为全面评估工程菌株的生产潜力，将生产能力最好的工程菌株进行全细胞催化，产量达到3.17 g/L。在此基础上，经过底物浓度、温度以及催化培养基的优化后，3-羟基丙酸产量提高至13.17 g/L。

总体而言，该系列研究主要探索了以乙醇为底物时，中心代谢途径和辅因子在不同产物合成中的重要作用，展现了基于乙醇生物合成大宗化学品的巨大潜力。

Bioresour. Technol.论文第一作者为我校生物工程学院博士研究生卢觉枫，通讯作者为吴辉教授，该研究工作得到了西安交通大学费强教授和中科院植物分子卓越研究中心顾阳研究员的悉心指导和大力支持。ACS. Sustain. Chem. Eng.论文的论文第一作者为我校生物工程学院硕士研究生王钰莹和博士研究生卢觉枫，通讯作者为吴辉教授和罗远婵老师。此外，该项目工作得到了国家重点研发计划、上海市“科技创新行动计划”和生物反应器工程国家重点实验室开放课题等项目的资助。